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Los ingenieros de UPenn también están desarrollando chicles que destruyen la biopelícula y otras interesantes innovaciones dentales.

Hyun “Michel” Koo creció en lo que él llama una “sección pobre” de Sao Paulo, Brasil, siendo testigo (y a veces experimentado) de lo que sucede cuando las personas no pueden obtener atención de salud bucal.

Los niños que sufrían caries dolorosas y los adultos avergonzados por la falta de dientes despertaron una pasión de toda la vida por hacer que la atención dental fuera más disponible y asequible para las personas de comunidades y países pobres. Ahora, como codirector de un centro de investigación innovador en la Universidad de Pensilvania, donde es profesor de la facultad de odontología, cree que está en posición, junto con colegas entusiastas y de ideas afines, para comenzar a hacer mella en esta ambición duradera. a medida que desarrollan tecnologías innovadoras con el potencial de ayudar a transformar la salud bucal. Están preguntando cosas como:

¿Qué pasaría si, por ejemplo, un chicle económico pudiera prevenir la acumulación de placa, las caries y las enfermedades de las encías? ¿O entregar antivirales contra el coronavirus?

¿Qué pasaría si enjambres de microrobots pudieran sustituir el cepillado y el uso de hilo dental?

¿Qué más podrían hacer la tecnología y la ingeniería inteligentes por problemas como infecciones de implantes, paladar hendido y otros problemas dentales?

Al conocer a Koo en persona por primera vez en una gran sala de conferencias sin ventanas en la facultad de odontología de Penn en Filadelfia, su entusiasmo fue aún más claro que en una entrevista anterior por Zoom. La ocasión de la vida real, el 2 de junio, fue el inicio del simposio científico inaugural del Centro de Innovación y Odontología de Precisión (CiPD), donde inicialmente se desempeñó como director cofundador y ahora se desempeña como codirector junto con el La igualmente enérgica y optimista profesora de ingeniería Kathleen Stebe.

Según Koo, esta alianza de escuelas, que comprende a más de 20 miembros de las facultades de Medicina Dental, Ingeniería y Ciencias Aplicadas de UPenn, se cree que es el primer centro de investigación universitario diseñado específicamente para unir a médicos y científicos de salud bucal con ingenieros en una asociación formal. dedicada a avanzar rápida y radicalmente en el tratamiento y el conocimiento de la salud bucal. El centro comenzó con una colaboración de investigación fortuita entre Koo, Stebe y otros, que a su vez condujo a un taller en 2018 financiado por el vicerrector de investigación de la universidad. Los participantes pronto formaron un grupo de trabajo que evolucionó hasta convertirse en el grupo central del nuevo centro. Aunque los miembros ya habían publicado artículos de revistas sobre algunos de los proyectos del centro antes del simposio, el evento fue la primera oportunidad del centro de presentar una visión multifacética de su trabajo al mundo científico.

Obviamente, dentistas e ingenieros han colaborado en muchas ocasiones en una amplia gama de tratamientos y dispositivos, como la impresión 3D de prótesis de ortodoncia Invisalign, el uso de láseres Dianodent y pulsos de sonido para encontrar caries antes de lo que pueden hacerlo los métodos habituales, o el recubrimiento de implantes dentales con antimicrobianos, y haciendo cirugía robótica mínimamente invasiva para implantarlos en primer lugar.

Koo y sus colegas creen, sin embargo, que su centro puede impulsar el progreso brindando respaldo institucional, organizacional y financiero, y Koo espera que pronto un edificio dedicado que, según él, impulse la creatividad al alentar y facilitar el tipo de interacción informal y espontánea. entre colegas de una variedad de disciplinas y estatus académicos que hace que las ideas y colaboraciones broten y crezcan. También enfatiza el enfoque del Centro para la Innovación y la Odontología de Precisión en encontrar soluciones que sean rentables y adaptables a las necesidades de las personas en comunidades y países de escasos recursos, algo que en gran medida falta en la innovación en el mercado dental global de casi 39 mil millones de dólares, que generalmente dirige sus esfuerzos a equipar precisamente el tipo de consultorios dentales y atención de alto costo a los que los pobres y marginados del mundo no pueden acceder.

Gracias al trabajo del centro, los expertos en salud bucal ya están conociendo las numerosas herramientas y recursos que los ingenieros pueden aportar para analizar y resolver problemas, y los ingenieros están conociendo los problemas de salud bucal más acuciantes y destacados, afirma Kathleen Stebe. Ella y Koo también tienen la intención de ampliar la fertilización cruzada entre campos de otras maneras.

El año pasado, justo después de la creación del Centro de Innovación y Odontología de Precisión, el Instituto Nacional de Investigación Dental y Craneofacial, uno de los Institutos Nacionales de Salud, reconoció su potencial otorgándoles una subvención de capacitación de cinco años y 2,5 millones de dólares para preparar un grupo de investigadores postdoctorales provenientes de odontología y salud bucal, varios tipos de ingeniería y otras ciencias básicas, incluida la ciencia de datos y la computación, todos dedicados a trabajar en la intersección de la salud bucal y la alta tecnología. Koo y Stebe creen que tanto las universidades como la industria acogerán con agrado las amplias perspectivas y la experiencia que aportarán estos investigadores.

En este día en particular, lleno de charlas y una concurrida sesión de carteles, se destacaron cinco de estas innovaciones en la encrucijada de la salud dental y la tecnología. El primero de ellos ilustra un principio de innovación útil: actuar “donde aprieta el zapato, resolviendo el problema que debe resolverse”, dijo el profesor de odontología de Penn, Eugene Ko. Continuó explicando cómo descubrió esa necesidad cuando amigos cercanos le contaron durante la cena sus dificultades para alimentar a su nuevo bebé, que nació con paladar hendido. Entre los defectos congénitos más comunes, que afectan aproximadamente a uno de cada 1.700 recién nacidos, se encuentran los espacios abiertos en el paladar y/o el labio superior, conocidos como hendiduras orales, que ocurren cuando los tejidos no se unen adecuadamente durante el desarrollo prenatal. Los espacios impiden que la boca del bebé forme la succión necesaria para succionar el alimento del pecho o del biberón normal. Los biberones especiales disponibles actualmente para bebés con paladar hendido son caros, difíciles de encontrar y de usar. Ko inmediatamente reconoció un problema que pensó que podía resolver.

En equipo con Shu Yang, presidente del departamento de ciencia e ingeniería de materiales, exploraron varios enfoques y finalmente desarrollaron una válvula unidireccional que atrapa la leche en la cámara de una tetina especial que permite al bebé extraerla mordiéndola en lugar de chuparla. . Un collar de rosca especialmente diseñado sujeta la tetina modificada a los biberones normales. Actualmente, Ko está trabajando para probar y comercializar el producto.

Un segundo proyecto provino de Geelsu Hwang, miembro de la facultad de la facultad de odontología y miembro principal del Centro de Innovación y Odontología de Precisión. Hwang explicó cómo una combinación de tecnología láser y bioquímica podría resolver un gran problema que afecta uno de los principales avances en salud bucal de las últimas décadas: la tendencia de los implantes dentales a fallar debido a infecciones o enfermedades de las encías. Utilizados hoy en día por más de 3 millones de personas sólo en los Estados Unidos, los implantes reemplazan los dientes perdidos de manera mucho más segura, cómoda y duradera que las dentaduras postizas o los puentes tradicionales. Pero requieren un proceso invasivo y costoso de múltiples cirugías orales durante varios meses. En demasiados casos, los implantes deben retirarse mucho antes de su vida útil prevista, de décadas, lo que requiere procedimientos más invasivos y costosos. Dos obstáculos importantes para el éxito son que los implantes disponibles actualmente están inactivos y que los usuarios no necesariamente aplican una higiene adecuada.

Un chicle especialmente diseñado puede llevar productos farmacéuticos a la boca, incluidas enzimas que destruyen la biopelícula.

Hwang y sus colegas han unido un par de tecnologías avanzadas en un implante "inteligente" que creen que puede superar estos obstáculos y proporcionar resultados saludables y duraderos. Formado en ingeniería química y biomolecular, Hwang ha centrado gran parte de su investigación en las biopelículas, la sustancia pegajosa cargada de bacterias que se adhiere a los dientes y fomenta las enfermedades bucales. El nuevo implante utiliza dos tecnologías dinámicas para permitir que el implante se defienda por sí solo.

En primer lugar está la terapia de fotomodulación, que utiliza luz láser para hacer que el tejido, incluido el tejido de las encías que rodea un implante, sea "mucho más resistente a la invasión bacteriana", explicó Hwang. El segundo es la piezoelectricidad, un proceso en el que ciertos materiales producen una carga eléctrica cuando son sometidos a tensión mecánica. La corona del implante inteligente contiene luces LED especialmente diseñadas que brindan fototerapia para combatir infecciones al tejido circundante, con la cantidad correcta de luz programada en el dispositivo. "Lo mejor es una exposición diaria de noventa minutos", dice Hwang. La masticación y otros movimientos naturales de la boca proporcionan la tensión mecánica necesaria para producir la electricidad que alimenta la luz. Con una solicitud de patente en curso, añadió, se está buscando financiación para permitir que una nueva empresa realice las pruebas y ensayos clínicos que podrían llevar el dispositivo al mercado.

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Smruti Nair, que está estudiando para obtener su título de DScD, me habló del trabajo “revolucionario” que se lleva a cabo en el laboratorio de su mentor, el bioquímico Henry Daniell, otro miembro principal del Centro de Innovación y Odontología de Precisión. El objetivo del laboratorio, explicó, ha sido durante mucho tiempo producir medicamentos asequibles para poner fin a las desigualdades en salud global y una forma eficaz y de bajo costo de administrarlos.

Daniell, junto con el ingeniero biomolecular Daeyeon Lee y otros colegas, están trabajando para lograr esto con chicles especialmente diseñados que pueden llevar a la boca una variedad de productos farmacéuticos producidos a bajo costo, incluidas enzimas que destruyen la biopelícula. Eliminar esta sustancia cargada de microbios es una necesidad obvia para la salud bucal, pero también un problema desafiante porque las biopelículas contienen una matriz compuesta de polímeros biológicos que protegen a los microbios y resisten la eliminación. Un cepillo de dientes cotidiano, el instrumento de cerdas que generalmente usamos para esta tarea, es una tecnología antigua que “se remonta a los egipcios… sin cambios durante milenios”, dice Koo. Más allá de eso, afirma que no es particularmente efectivo, como tampoco lo es el raspado mecánico periódico que recibimos en el consultorio del dentista. E igualmente importante, un cepillo es inútil para personas con discapacidades que les impiden manipularlo.

Daniell produce enzimas que combaten biopelículas, entre muchas otras proteínas potencialmente útiles, con un proceso novedoso y patentado que las cultiva en plantas. Bombardearlos con el ADN de la proteína deseada hace que los cloroplastos, que son elementos intercelulares de todas las plantas verdes, absorban el material genético y produzcan las moléculas deseadas en sus hojas. Una vez que las plantas crecen, las moléculas de interés se extraen, se liofilizan y se muelen, creando un polvo listo para envasar en una pastilla o agregar a un chicle.

Pero para que sean eficaces contra las biopelículas, las enzimas deben estar protegidas en su paso por las defensas salivales de la boca, que normalmente pueden descomponerlas. Ahí es donde entra en juego la goma de mascar especial, que ha sido diseñada con características que mantienen intactas las enzimas.

Se podrían utilizar enjambres de microrobots para eliminar la biopelícula de forma rápida, segura y cómoda.

En otro uso prometedor, la administración de una enzima diferente, ACE2, a través de la encía es muy prometedora para reducir la transmisión y prevenir la infección por el coronavirus Sars-CoV-2, señaló Nair. La FDA ha dado recientemente luz verde para realizar ensayos clínicos.

Koo había pasado años investigando biopelículas y buscaba una nueva forma de limpiarlas de los dientes, buscando un método que cumpliera con sus criterios: tenía que ser práctico, escalable y de bajo costo. Él y sus colegas habían experimentado con nanopartículas que contienen óxido de hierro que, mediante acción catalítica, puede hacer que el peróxido de hidrógeno libere radicales libres que pueden romper las biopelículas. A través de un amigo conoció cómo se trabajaba en la escuela de ingeniería con un tipo muy similar de nanopartículas que contienen óxido de hierro. Los ingenieros, sin embargo, los estaban convirtiendo en microrobots utilizando campos magnéticos para guiarlos en movimientos específicos. ¿Qué tal guiarlos a través, alrededor y entre los dientes? Al unir fuerzas en todas las disciplinas, Koo, Steager, Stebe y otros imaginaron cómo se podrían usar enjambres de microrobots para eliminar la biopelícula de manera rápida, segura y conveniente.

Juntos, los grupos idearon dos sistemas diferentes para lo que llaman robots antimicrobianos catalíticos para descomponer y eliminar biopelículas. El primer enfoque suspende nanopartículas en una solución y el segundo las incrusta en geles moldeados en varias formas tridimensionales. Las nanopartículas eliminan las biopelículas de superficies como la parte frontal de los dientes, de forma muy similar a como un quitanieves limpia la nieve, y también de espacios cerrados y pasajes estrechos, como los espacios reducidos entre los dientes.

Las pruebas que utilizaron paneles planos de vidrio y tubos de vidrio demostraron que ambos enfoques pueden concentrarse y destruir con precisión las biopelículas y la matriz bacterianas, y eliminar los desechos de manera tan completa que las biopelículas tienen pocas posibilidades de volver a crecer.

Y como beneficio adicional, dice Koo, las nanopartículas aprobadas por la FDA, que “cuestan un par de centavos el gramo”, también pueden usarse para tratar la anemia por deficiencia de hierro, otro problema de salud que a menudo afecta a las poblaciones pobres y desnutridas. Por tanto, una solución puede abordar dos grandes problemas, afirma.

A pesar de todas las ideas y proyectos explorados en el simposio, los investigadores de Penn no son los únicos que trabajan en la frontera de la innovación en ciencia e ingeniería de la salud bucal. Por nombrar sólo dos ejemplos, el Instituto de Investigación y Ciencia de la Asociación Dental Estadounidense en Gaithersburg, MD, trabaja para desarrollar y ayudar a comercializar soluciones innovadoras para problemas de salud bucal y el bioingeniero de Harvard, David Mooney, está trabajando para desarrollar biomateriales que ayuden en la cirugía y la regeneración celular. Pero el centro, con su liderazgo, integración y sentido de misión, parece estar bien posicionado para ser un actor importante.

Nota del editor: esta historia se actualizó el 19 de agosto de 2022 para reflejar que Koo es el cofundador del centro CiPD y para aclarar su declaración en el penúltimo párrafo.

Por Beryl Lieff Benderly el 11 de agosto de 2022

Beryl es una escritora científica premiada y miembro de la Asociación Estadounidense para el Avance de la Ciencia.